Биофизические аспекты повышения продуктивности растений при выращивании под нанокомпозитными фотоконверсионными материалами Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

я А SsSEsE ФИЗИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ И МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ

Биофизические аспекты повышения продуктивности растений при выращивании под нанокомпозитными фотоконверсионными материалами

Пасхин М.О., Казанцева Д.В., Шумейко С.А.

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва Е-mail: [email protected]

DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-198-200

Современное сельское хозяйство невозможно представить без внедрения умных и эффективных технологий. К ним, несомненно, относятся технологии направленного регулирования освещенности сельскохозяйственных растений, поскольку свет является одним из решающих факторов, определяющих рост и развитие растений [1]. Количество и качество естественного света определяют экономику и целесообразность растениеводства в различных регионах мира. Для стимуляции фотосинтетических процессов в растениях их освещают светом в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, называемым фотосинтетически активным излучением. В зависимости от климатических условий выращивания фермеры затеняют или дополнительно освещают растения, а также меняют спектр света, попадающего на растения. Одним из способов изменения спектрального состава света является использование фотоконверсионных покрытий, преобразующих малоиспользуемый растениями свет в фотосинтетически активное излучение [2, 3].

Нами разработаны несколько металлосодержащих и углеродсодержащих фотоконверсионных покрытий на основе наночастиц: Sr0,955Yb0,020Er0,025F2,045 и Sr0,910Yb0,075Er0,015F2,090 (1), Eu2O3 (2), Eu3+:LaF3 (3), оксид графена (4) и ZnO (5). Наночастицы были получены различными методами: соосаждением, лазерной фрагментацией и гидротермально-микроволновой обработкой. Наночастицы (1)-(4) смешивали с фторопластовым лаком и наносили методом холодного синтеза при комнатной температуре; наночастицы (5) смешивали с акриловым полимером и наносили с помощью магнетрона. Покрытие с наночастицами (1) поглощает свет в ближнем инфракрасном диапазоне и флуоресцирует в зелено-красном диапазоне. Покрытия, содержащие наночастицы (2)-(5),

ш А 5ЕЕЕЕ1 22-24 0КтабРЯ 2024 Г-

поглощают свет в ультрафиолетовом диапазоне и флуоресцируют в красном (2), оранжевом (3), сине-красном (4) и синем (5) диапазонах.

Эффективность полученных фотоконверсионных покрытий изучали при выращивании растений. В результате было показано, что эти покрытия улучшают рост и развитие растений. Практически все покрытия улучшали морфологические показатели растений. Покрытия на основе $Г0,955УЬ0,020ЕГ0,025р2,045 и §Г0,9ю¥Ь0,075ЕГ0,015р2,090 ускорили адаптацию растений томата к новому типу освещения, за счёт чего растения стали больше. Покрытие на основе Eu2Oз ускорило адаптацию фотосистем растений томата при включении света, что позволило растениям использовать больше солнечной энергии для фотосинтеза и меньше - для процессов репарации. Однако это покрытие никак не повшлияло на растения огурца. Покрытие на основе Eu3+:LaFз не влияло на параметры роста и развития растений, однако способствовало адаптации растений к стрессовым абиотическим факторам, в частности к высоким и положительным низким температурам. Это связано с тем, что дополнительный оранжевый свет способствует увеличению синтеза антиоксидантных ферментов, таких как супероксиддисмутаза, пероксидаза и т.д. [4]. Фотоконверсионное покрытие на основе оксида графена благодаря широкому спектру флуоресценции в диапазоне фотосинтетически активного излучения значительно увеличило рост и развитие растений томата. Покрытие на основе наночастиц ZnO улучшило морфологические показатели растений перца и огурца на 25-30%. Кроме того, это покрытие обладало бактериостатическими свойствами, но было биосовместимо с эукариотическими клетками.

Таким образом, даже небольшие изменения соотношение света разных длин волн (красного к дальнему красному, синего к красному и т.д.) могут значительно улучшить ростовые показатели растений.

Работа поддержана грантом Министерства науки и высшего образования РФ (075-15-2022-315) на организацию и развитие научно-исследовательского центра мирового уровня «Фотоника».

Авторы выражают благодарность научному руководителю, д.б.н. Гудкову С.В. и к.б.н. Яныкину Д.В. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов.

я а EsSEsE ФИЗИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ И МЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ

1. S.W. Hogewoning, E. Wientjes, P. Douwstra, G. Trouwborst, W. van Ieperen, R. Croce, J. Harbinson, Photosynthetic Quantum Yield Dynamics: From Photosystems to Leaves, Plant Cell, 24, 1921-1935, (2012).

2. M.O. Paskhin, D.V. Yanykin, S.V. Gudkov, Horticulturae. 2022, 8, 885.

3. S.V. Gudkov, R.M. Sarimov, M.E. Astashev, et al., Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 2024, 194(2), 208-226.

4. A. Brazaityte, P. Duchovskis, A. Urbonaviciute, et al., Zemdirb.-Agric. 2009, 96, 102-118.